基于纳米复合材料的柔性温度传感器研究

来源 :电子科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wangchongzhan
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随着大数据和可穿戴智能终端近些年快速地发展,传感器作为其核心器件之一,正被广泛应用于电子皮肤、智能机器人和功能化器件上,逐渐对传统的医疗保健业、餐饮业和农业等产生冲击。基于柔性电子传感器感知功能优异(力学、温度、心率、血压等)、生物相容性好、轻薄低功耗等优点,使其成为近年来电子行业和相关科研领域的重点研究方向。柔性温度传感器在柔性电子领域的相关研究较少,如何在具有高拉伸性和应变适应性的有机聚合物材料中导入温度敏感材料,使其可以具备传统温度传感器的温敏性能,是目前柔性温度传感器研究亟需解决的关键问题。本文提出了两种新型的柔性温度传感器,并分别对这两种传感器系统地进行了理论模型的解释、制备工艺的介绍和传感器温敏性能、相关应用等方面的研究。本论文的具体研究内容如下:(1)基于PVA柔性温度传感器的实验研究。选择MWCNT作为主要的填充材料,通过掺入不同的NTC热敏电阻材料(CaCu3Ti4O12(CCTO))、SnO2、CoO、MnO),改变MWCNT/NTC材料的质量比例,并将PVA作为基底材料,通过溶剂分散法制备出混合胶体。将混合胶体通过自动旋涂工艺制备出PVA柔性温敏器件进行测试,结果表明:MWCNT/MnO质量比例为1∶1的PVA传感器在40120℃温度范围内电阻变化最大,电阻温度系数(TCR)高达-0.0094℃-1。MWCNT/CCTO质量比例为10∶1的PVA传感器在40120℃范围内电阻-温度响应线性度最优,线性度高达99.97%。因此,基于PVA温度传感器具有一定的柔韧性,在呼吸测试、光照响应等应用场景均表现出良好的温敏性能。(2)具有高灵敏度的PDMS柔性温度传感器。选择PDMS作为基底材料,通过二氯甲烷溶剂(CH2Cl2),将MWCNT/NTC材料作为温度敏感单元,配制出PDMS/MWCNT/NTC复合温敏胶体,最后选择相应的固化剂,通过在基板上旋涂制备出PDMS柔性温敏器件。结果表明:复合材料为MWCNT/CCTO的PDMS织物在-40120℃具有良好的温敏性能和线性度,电阻变化了-63.59%,TCR为-0.0039℃-1,线性度高达99.83%。此外,经过500次的重复性测试,连续5000次的拉伸力测试和3000次压力测试之后,传感器在电阻-温度响应上均保持着良好的稳定性。基于PDMS柔性温敏器件良好的温敏性和稳定性,在应用于人体呼吸监测、光照响应和水温响应的实际环境测试中,该器件也表现出优异的感知性能。
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